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オシロスコープは、電圧の時間変化を波形として表示できる測定器です。
大学実験や電子工作では、オシロスコープを使って、
「この波形の振幅はいくつか」
「最大電圧と最小電圧はいくらか」
「ピークツーピーク値はどう読むのか」
「VOLTS/DIVはどう使えばいいのか」
を確認することがあります。
しかし、初めてオシロスコープを使う人にとっては、
「縦軸の目盛りをどう読めばいいの？」
「振幅とピークツーピーク値の違いは？」
「実効値と最大値は何が違うの？」
と迷うことも多いと思います。
この記事では、オシロスコープで電圧や振幅を測定する方法を、VOLTS/DIVの読み方、ピーク値、ピークツーピーク値、実効値の違いまで初心者向けにわかりやすく解説します。
オシロスコープで測定できる電圧とは
オシロスコープでは、信号の電圧が時間とともにどのように変化するかを確認できます。
テスターのように電圧の数値だけを測るのではなく、波形として見ることができる点が大きな特徴です。
電圧の時間変化を見られる
たとえば、直流電圧であれば、画面上ではほぼ水平な線として表示されます。
正弦波であれば、上下になめらかに変化する波形として表示されます。
方形波であれば、HighとLowを繰り返す四角い波形として表示されます。
このように、オシロスコープを使うと、単なる電圧値だけでなく、電圧がどのように変化しているかを確認できます。
瞬間的な変化も確認できる
オシロスコープでは、短時間の電圧変化も観察できます。
たとえば、スイッチを入れた瞬間の立ち上がり、ノイズ、パルス波形、発振波形などを確認できます。
大学実験では、回路の動作を理解するために、電圧の大きさだけでなく波形の形も重要になります。
VOLTS/DIVとは
オシロスコープで電圧を読むときに重要なのが、VOLTS/DIVです。
VOLTS/DIVとは、画面の縦方向1目盛りあたりの電圧を表す設定です。
DIVとは
DIVとは、divisionの略で、オシロスコープ画面の目盛りのことです。
画面には縦方向と横方向に目盛りがあります。
縦方向の目盛りは電圧を表し、横方向の目盛りは時間を表します。
VOLTS/DIVの意味
たとえば、VOLTS/DIVが1V/divの場合、縦方向の1目盛りが1Vを表します。
このとき、波形が縦方向に3目盛り分の高さで表示されていれば、その電圧差は3Vです。
もしVOLTS/DIVが0.5V/divで、波形の高さが4目盛り分であれば、
電圧差 = 4div × 0.5V/div = 2V
となります。
つまり、オシロスコープで電圧を読むには、縦方向の目盛り数とVOLTS/DIVを掛ければよいです。
電圧測定の基本手順
オシロスコープで電圧を測定する基本的な流れは、次の通りです。
1. プローブを正しく接続する
2. GNDを接続する
3. プローブ倍率を確認する
4. 波形を画面に表示する
5. VOLTS/DIVを調整する
6. 縦方向の目盛り数を読む
7. 目盛り数 × VOLTS/DIVで電圧を求める
最近のデジタルオシロスコープでは、自動測定機能で電圧値を表示できる場合もあります。
ただし、大学実験では目盛りから手計算で求める場面もあるため、基本的な読み方を理解しておくことが大切です。
手順1：プローブを正しく接続する
まず、オシロスコープの入力端子にプローブを接続します。
通常はCH1にプローブを接続し、測定したい回路の信号点にプローブの先端を当てます。
GNDを基準点に接続する
オシロスコープは、基本的にGNDを基準にして電圧を測定します。
そのため、プローブのGNDクリップを回路の基準点に接続する必要があります。
GNDを接続していないと、波形がふらついたり、ノイズが多く見えたりすることがあります。
GNDの接続ミスに注意する
一般的な据え置き型オシロスコープでは、プローブのGNDがアースにつながっている場合があります。
そのため、回路内の適当な点にGNDクリップを接続すると、ショートや故障につながるおそれがあります。
大学実験では、必ず実験書や指導者の指示に従ってGNDを接続しましょう。
手順2：プローブ倍率を確認する
オシロスコープで電圧を測るときは、プローブ倍率の確認が重要です。
多くのプローブには、×1と×10を切り替えるスイッチがあります。
×1プローブの場合
×1設定では、入力された信号がほぼそのままオシロスコープへ送られます。
小さい電圧を測定するときには見やすい場合があります。
ただし、測定対象の回路に与える影響が大きくなることがあります。
×10プローブの場合
×10設定では、入力電圧を約10分の1にしてオシロスコープへ送ります。
その代わり、オシロスコープ側でプローブ設定を×10にすることで、画面上では実際の電圧として表示されます。
大学実験では、×10プローブを使うことが多いです。
プローブ側と本体側の設定を合わせる
プローブ側が×10なのに、オシロスコープ側が×1のままだと、表示される電圧値が実際とずれてしまいます。
逆に、プローブ側が×1なのに、オシロスコープ側が×10になっていても、電圧値を誤って読み取ることになります。
測定前には、プローブ側とオシロスコープ側の倍率設定が一致しているか確認しましょう。
プローブ補正については、別記事「オシロスコープのプローブ補正とは？なぜ方形波で調整するのか」でも詳しく解説しています。
手順3：波形を画面に表示する
プローブを接続したら、オシロスコープの画面に波形を表示します。
波形が見えない場合は、VOLTS/DIVやTIME/DIVを調整します。
VOLTS/DIVを調整する
波形が小さすぎる場合は、VOLTS/DIVを小さくします。
たとえば、1V/divで波形が小さく見える場合、0.5V/divや0.2V/divにすると波形が大きく表示されます。
逆に、波形が画面からはみ出している場合は、VOLTS/DIVを大きくします。
たとえば、0.5V/divで波形がはみ出している場合、1V/divや2V/divにすると波形が画面内に収まりやすくなります。
TIME/DIVを調整する
電圧を読むときは縦軸が重要ですが、波形を見やすくするには横軸のTIME/DIVも調整します。
画面に1〜3周期程度が表示されるようにすると、最大値や最小値を読み取りやすくなります。
周波数測定については、別記事「オシロスコープで周波数を測定する方法｜周期から計算する手順を解説」でも詳しく解説しています。
手順4：波形を安定させる
電圧や振幅を正しく読むためには、波形を安定して表示することも大切です。
波形が横に流れている状態では、最大値や最小値を読み取りにくくなります。
トリガ設定を確認する
波形が流れる場合は、トリガ設定を確認します。
CH1で測定している場合は、トリガソースもCH1にします。
トリガレベルは、波形の中央付近に設定すると安定しやすいです。
スロープは、まず立ち上がりに設定しておくとよいです。
トリガ設定については、別記事「オシロスコープのトリガとは？波形が流れる原因と対処法」でも詳しく解説しています。
ピーク値とは
オシロスコープで電圧を読むときによく出てくるのが、ピーク値です。
ピーク値とは、波形の中心や基準点から最大値までの電圧です。
正弦波のピーク値
0Vを中心に上下する正弦波を考えます。
この波形が、0Vから最大で+2Vまで上がり、最小で-2Vまで下がる場合、ピーク値は2Vです。
このとき、波形の振幅も2Vと表現されます。
ピーク値の読み方
画面上で0Vの基準線から波形の最大点までが2目盛りあり、VOLTS/DIVが1V/divなら、
ピーク値 = 2div × 1V/div = 2V
となります。
0Vを中心にした正弦波では、ピーク値が振幅として使われることが多いです。
ピークツーピーク値とは
ピークツーピーク値とは、波形の最大値から最小値までの電圧差です。
英語ではpeak to peakといい、Vppと表記されることがあります。
ピーク値との違い
ピーク値は、中心から最大値までの電圧です。
ピークツーピーク値は、最大値から最小値までの電圧差です。
たとえば、+2Vから-2Vまで変化する正弦波の場合、
ピーク値 = 2V
ピークツーピーク値 = 4V
となります。
ピークツーピーク値は、波形全体の高さを表す値だと考えるとわかりやすいです。
ピークツーピーク値の読み方
画面上で波形の最大点から最小点までが4目盛りあり、VOLTS/DIVが0.5V/divだったとします。
この場合、ピークツーピーク値は、
Vpp = 4div × 0.5V/div = 2V
となります。
正弦波、方形波、三角波など、波形の種類に関係なく、最大値と最小値の差を読むことでピークツーピーク値を求められます。
振幅とは
振幅とは、波形の中心から最大値までの大きさを表す量です。
ただし、実験や資料によっては、振幅という言葉がピーク値を意味する場合と、ピークツーピーク値に近い意味で使われる場合があります。
基本的な振幅の意味
基本的には、0Vを中心にした正弦波では、中心から最大値までが振幅です。
たとえば、+3Vから-3Vまで変化する正弦波では、振幅は3Vです。
ピークツーピーク値は6Vになります。
レポートでは定義を明確にする
大学実験では、「振幅」という言葉を使うときに、何を指しているのかを明確にするとよいです。
たとえば、
波形の最大値と最小値の差であるピークツーピーク値Vppを測定した。
または、
0Vを基準としたピーク値を振幅として測定した。
のように書くと、誤解を避けやすくなります。
最大値・最小値の読み方
オシロスコープでは、波形の最大値と最小値も重要です。
特にデジタル信号や直流オフセットを含む波形では、最大値・最小値を確認する必要があります。
0V基準を確認する
最大値や最小値を読むには、まず0Vの位置を確認します。
オシロスコープでは、GND表示やチャンネルごとの基準位置マークで0Vの位置を確認できます。
0Vの位置を見落とすと、最大値や最小値を間違えて読むことがあります。
最大値を読む
0V基準から波形の最大点までの目盛り数を読みます。
たとえば、最大点が0Vより3目盛り上にあり、VOLTS/DIVが1V/divなら、最大値は+3Vです。
最小値を読む
0V基準から波形の最小点までの目盛り数を読みます。
たとえば、最小点が0Vより2目盛り下にあり、VOLTS/DIVが1V/divなら、最小値は-2Vです。
この場合、ピークツーピーク値は、
Vpp = 最大値 - 最小値
Vpp = 3V - (-2V) = 5V
となります。
実効値とは
交流信号では、実効値という値もよく使われます。
実効値は、交流電圧を直流電圧と同じような働きで表すための値です。
英語ではRMSと呼ばれます。
正弦波の実効値
正弦波の場合、実効値はピーク値を√2で割った値になります。
実効値 Vrms = ピーク値 Vp / √2
たとえば、ピーク値が10Vの正弦波の場合、
Vrms = 10 / √2 ≒ 7.07V
となります。
ピークツーピーク値から実効値を求める
0Vを中心にした正弦波では、ピークツーピーク値はピーク値の2倍です。
そのため、
Vp = Vpp / 2
Vrms = Vp / √2
となります。
たとえば、Vppが20Vの正弦波なら、
Vp = 20 / 2 = 10V
Vrms = 10 / √2 ≒ 7.07V
です。
波形によって実効値は変わる
実効値の計算式は、波形の種類によって変わります。
正弦波、方形波、三角波では、ピーク値と実効値の関係が異なります。
そのため、実効値を扱うときは、どの波形について計算しているのかを確認することが大切です。
自動測定機能を使う方法
最近のデジタルオシロスコープには、自動測定機能がついているものが多いです。
自動測定機能を使うと、画面上に最大値、最小値、ピークツーピーク値、実効値などを表示できます。
よく使う測定項目
電圧測定でよく使う項目には、次のようなものがあります。
- Maximum
- Minimum
- Peak to Peak
- Amplitude
- RMS
- Mean
機種によって表示名は異なりますが、多くのデジタルオシロスコープでは測定メニューから選択できます。
自動測定の注意点
自動測定機能は便利ですが、波形が不安定だったり、ノイズが多かったりすると、測定値がふらつくことがあります。
また、トリガがうまくかかっていない場合や、表示範囲が適切でない場合にも、値が安定しないことがあります。
自動測定値だけを信じるのではなく、画面上の波形と目盛りも確認しましょう。
波形ごとの電圧測定のポイント
測定する波形によって、電圧の読み方に少し注意が必要です。
ここでは、代表的な波形ごとにポイントを整理します。
正弦波の場合
正弦波では、ピーク値、ピークツーピーク値、実効値を区別することが大切です。
0Vを中心にした正弦波であれば、最大値と最小値からVppを読み取り、そこからピーク値や実効値を求められます。
方形波の場合
方形波では、HighレベルとLowレベルを確認することが重要です。
たとえば、0Vから5Vまで変化する方形波であれば、Lowが0V、Highが5Vであることを確認します。
この場合、ピークツーピーク値は5Vです。
方形波を測定する場合は、プローブ補正が合っていないと角が丸くなったり飛び出したりするため、事前に確認しておくと安心です。
直流電圧の場合
直流電圧は、時間的にほぼ一定の電圧です。
オシロスコープ上では、水平な線として表示されます。
このとき、0V基準から線までの高さを読むことで電圧を求めます。
ただし、直流電圧を見る場合は、入力設定がDC結合になっているか確認しましょう。
AC結合になっていると、直流成分がカットされて正しく表示されません。
AC結合とDC結合については、別記事「オシロスコープのAC結合とDC結合の違いをわかりやすく解説」でも詳しく説明しています。
電圧測定でよくあるミス
オシロスコープで電圧を測定するときには、初心者がやりがちなミスがあります。
VOLTS/DIVを読み間違える
縦方向の目盛り数が正しくても、VOLTS/DIVを読み間違えると電圧値が大きくずれます。
たとえば、0.5V/divと5V/divでは10倍違います。
測定値を書く前に、VOLTS/DIVの単位を確認しましょう。
プローブ倍率を間違える
プローブ側とオシロスコープ側の倍率設定が合っていないと、表示電圧が正しくなりません。
×10プローブを使っている場合は、オシロスコープ側の設定も×10になっているか確認しましょう。
0V基準を見落とす
最大値や最小値を読むときは、0Vの位置が基準になります。
波形の表示位置を上下にずらしている場合、画面中央が0Vとは限りません。
チャンネルの0Vマークを確認してから電圧を読みましょう。
AC結合のまま直流電圧を測る
AC結合では直流成分がカットされます。
そのため、直流電圧や直流オフセットを含む波形を測定すると、実際とは違う表示になることがあります。
直流電圧や信号の本当の電圧レベルを確認したいときは、DC結合を使いましょう。
波形が画面からはみ出している
波形が画面からはみ出していると、最大値や最小値を正しく読めません。
この場合は、VOLTS/DIVを大きくして、波形全体が画面内に収まるように調整します。
ノイズを最大値として読んでしまう
ノイズが多い波形では、一瞬だけ大きく飛び出した部分を最大値として読んでしまうことがあります。
測定する目的によっては、ノイズのピークではなく、波形全体の平均的な大きさや安定した部分を見る必要があります。
大学実験レポートでの書き方例
大学実験のレポートでは、測定値だけでなく、どのように求めたかを書くとわかりやすくなります。
ピークツーピーク値の記述例
オシロスコープで出力波形を観察したところ、波形の最大値から最小値までの高さは4divであった。
このときVOLTS/DIVは0.5V/divであったため、ピークツーピーク値Vppは
Vpp = 4 × 0.5 = 2.0V
となる。
最大値・最小値の記述例
0V基準に対して、波形の最大点は+3div、最小点は-2divであった。
VOLTS/DIVは1V/divであるため、最大値は+3V、最小値は-2Vである。
したがって、ピークツーピーク値は
Vpp = 3 - (-2) = 5V
となる。
実効値の記述例
測定した正弦波のピークツーピーク値は20Vであった。
0Vを中心とする正弦波であるため、ピーク値Vpは
Vp = 20 / 2 = 10V
となる。
正弦波の実効値Vrmsは
Vrms = Vp / √2 = 10 / √2 ≒ 7.07V
である。
このように、目盛り数、VOLTS/DIV、計算式を順番に書くと、レポートとしてわかりやすくなります。
電圧測定の精度を上げるコツ
オシロスコープで電圧を測定するときは、設定や接続方法によって測定精度が変わります。
波形を画面いっぱいに表示する
波形が小さすぎると、目盛りの読み取り誤差が大きくなります。
波形が画面からはみ出さない範囲で、できるだけ大きく表示すると読み取りやすくなります。
カーソル機能を使う
デジタルオシロスコープでは、カーソル機能を使うと電圧差を読み取りやすくなります。
最大値と最小値にカーソルを合わせることで、ピークツーピーク値を確認できます。
自動測定機能と目視確認を組み合わせる
自動測定機能は便利ですが、ノイズや波形の乱れで値がふらつくことがあります。
自動測定値を見るだけでなく、画面上の波形が妥当かどうかも確認しましょう。
プローブ補正を確認する
方形波やパルス波を測定する場合、プローブ補正が合っていないと波形が歪んで見えます。
電圧値だけでなく波形の形も重要な場合は、測定前にプローブ補正を確認しておきましょう。
GNDリードを短くする
高周波信号やノイズを含む信号を測る場合、プローブのGNDリードが長いと余計なノイズを拾うことがあります。
必要に応じてGNDリードを短くすることで、より安定した波形が得られることがあります。
初心者におすすめのオシロスコープ関連アイテム
オシロスコープで電圧や振幅を測定する場合、本体だけでなく、プローブや信号発生器などもあると学習しやすくなります。
電子工作や大学実験の復習では、以下のようなアイテムがあると便利です。
- 入門用デジタルオシロスコープ
- 10:1オシロスコーププローブ
- 信号発生器
- BNCケーブル
- ブレッドボード
- ジャンパ線
- ワニ口クリップ付きリード線
オシロスコープを選ぶときは、帯域幅、サンプリングレート、チャンネル数、付属プローブの有無、自動測定機能の有無を確認するとよいです。
大学実験の復習や電子工作の入門であれば、まずは基本的な電圧・周期・周波数を測定できるモデルから始めるのもおすすめです。
安全上の注意
オシロスコープを使うときは、安全にも注意が必要です。
特に、家庭用コンセントのAC100Vや商用電源を一般的なオシロスコープで直接測定するのは危険です。
接続方法を間違えると、ショート、感電、測定器の故障につながるおそれがあります。
大学実験や電子工作では、まず低電圧の回路から測定しましょう。
商用電源や高電圧回路を測定する場合は、必ず指導者の指示に従い、必要に応じて差動プローブや絶縁された測定環境を使用してください。
まとめ
オシロスコープで電圧や振幅を測定するには、縦方向の目盛りとVOLTS/DIVを使います。
基本的には、
電圧差 = 縦方向の目盛り数 × VOLTS/DIV
で求められます。
電圧測定でよく使う値には、次のようなものがあります。
- 最大値
- 最小値
- ピーク値
- ピークツーピーク値
- 振幅
- 実効値
ピーク値は、基準点や中心から最大値までの電圧です。
ピークツーピーク値は、最大値から最小値までの電圧差です。
正弦波の実効値は、ピーク値を√2で割ることで求められます。
測定するときは、VOLTS/DIV、プローブ倍率、0V基準、AC/DC結合、トリガ設定を確認することが大切です。
大学実験で電圧や振幅を測定するときは、単に数値を書くのではなく、目盛り数、VOLTS/DIV、計算式をあわせて書けるようにしておきましょう。
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